一、 解決方案背景
近年來,隨著我國(guó)城市人口的逐步增長(zhǎng),城市公共交通的壓力也逐年加大。同時(shí),隨著大中城市內(nèi)汽車的大量普及,尾氣排放占廢氣排放比重越來越高,造成城市嚴(yán)重的環(huán)境問題和交通堵塞。因此,大力發(fā)展純電能驅(qū)動(dòng)的地鐵、輕軌、有軌電車、純電動(dòng)公交等公共交通系統(tǒng)成了城市現(xiàn)代化建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。從公共交通的運(yùn)力進(jìn)行分類:
■ 大運(yùn)力公共交通:地鐵、輕軌。載客量大,運(yùn)行速度較高;建設(shè)周期很長(zhǎng),一般為5年左右;投資成本很高,約為6億元~10億元/公里;
■ 中等運(yùn)力公共交通:
1) 現(xiàn)代有軌電車。載客量中等,運(yùn)行速度中等;建設(shè)周期長(zhǎng),一般為2年左右;投資成本較高,約為1億元/公里;但有軌電車與地面其他車輛存在路權(quán)之爭(zhēng)的問題。
2) 雙源無軌BRT電車。載客量中等,運(yùn)行速度中等;建設(shè)周期短,一般在1年內(nèi);投資成本較低,約為1000萬元/公里;并可利用原有地面道路資源。
■ 普通運(yùn)力公共交通:純電動(dòng)公交。載客量小,運(yùn)行速度低。配套充電設(shè)施建設(shè)周期短,一般在1年以內(nèi);完全和原有公交車共用道路資源,無需再投資。
從上述分類可以看出,不同運(yùn)力的交通方式在城市公共交通中所處的地位并不相同:地鐵、輕軌可解決城市主干交通的運(yùn)載,有軌電車和雙源無軌BRT能夠作為地鐵和輕軌的有力補(bǔ)充,可緩解區(qū)域性交通運(yùn)載問題。而擁有普通運(yùn)力的純電動(dòng)公交車則承擔(dān)著城市公共交通中“最后一公里”的運(yùn)載任務(wù),能夠把大量的乘客運(yùn)送到最終的目的地。
對(duì)于普通純電動(dòng)公交來說,電池問題、充電問題一直是困擾其發(fā)展的主要原因:電池配重過大,運(yùn)載效率較低;充電站和充電樁占地面積大,建設(shè)成本高,供電容量利用率低;車輛充電時(shí)間長(zhǎng),充電過程中無法移動(dòng),使場(chǎng)內(nèi)車輛調(diào)度和停放受到影響。
為了解決上述問題,采用了新型鈦酸鋰電池的純電動(dòng)公交即可實(shí)現(xiàn)電池的快速充電,在電池的循環(huán)壽命也完全能夠達(dá)到純電動(dòng)公交的使用要求。這種類型的純電動(dòng)公交配置的電池為46kWh左右,單次充電可以運(yùn)行30km左右,能夠滿足大多數(shù)城市市區(qū)公交線路的運(yùn)營(yíng)里程要求。車輛的充電設(shè)施可采用“微型撬裝式變電站+充電線網(wǎng)”的模式,結(jié)合車輛上集成的智能充電機(jī),不僅能夠?yàn)檐囕v提供大容量、靈活、快速的充電服務(wù),而且能夠?yàn)槌潆娫O(shè)施的占地面積、建造成本上帶來最大的節(jié)約。
二、 微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站的技術(shù)特點(diǎn)
為了給新型純電動(dòng)公交提供安全、大容量、高密度的充電電源,蘇州萬龍電氣集團(tuán)股份有限公司特別為該運(yùn)用開發(fā)了“微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站”。充電站的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:
1. 基于智能云平臺(tái)的柔性充電
城市市區(qū)公交停車場(chǎng)車輛有效停放面積對(duì)城市公交的合理布局,線路配置等都至關(guān)重要。微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站采用了高功率密度的設(shè)計(jì)思路,為純電動(dòng)公交提供快速充電服務(wù)。以3路直流750V輸出的直流饋線為例,其占地面積僅為32平方米,可為純電動(dòng)公交提供額定600kW,最大1200kW的充電功率。充電站可在廠家提前完成生產(chǎn)和組裝,直接運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)即可完成安裝,工程周期短,綜合造價(jià)低。
新型純電動(dòng)公交上集成了充電機(jī),智能充電云平臺(tái)可通過無線通道向車輛的充電機(jī)發(fā)送充電命令,在充電線網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)多輛電動(dòng)公交同時(shí)充電。由于充電機(jī)可控,直流饋線輸出的充電功率可根據(jù)相關(guān)指令靈活分配到直流饋線下的車輛,實(shí)現(xiàn)柔性充電。以車輛配備46KWh電池為例,車輛行駛30公里后剩余25%~35%電量,進(jìn)入停車場(chǎng)快速補(bǔ)充電能。車輛配置的額定功率為150kW充電機(jī)通過充電線網(wǎng)進(jìn)行柔性充電,十分鐘左右即可將電池充滿,完全能夠滿足公交行業(yè)的運(yùn)用需求。這樣可結(jié)合電池電量和狀態(tài)、車輛工況、充電站運(yùn)行功率等充電條件的按需充電,可合理調(diào)配充電資源,充分利用電站所提供的充電功率,為車輛提供安全,快速的充電服務(wù)。
2. 充電系統(tǒng)六大安全保障
純電動(dòng)公交的充電安全一直是公交行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。新型充電站不僅要密切監(jiān)控其自身安全,而且對(duì)整個(gè)直流充電系統(tǒng)的安全狀況也必須進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。為此,“微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站”集成了6大安全保障技術(shù):
◆ 充電線網(wǎng)電氣安全保護(hù)
◆ 大電流短路故障快速切除
◆ 智能化故障檢測(cè)
◆ 瞬時(shí)故障快速恢復(fù)供電
◆ 充電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)
◆ 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)
通過上述技術(shù),可以對(duì)直流充電系統(tǒng)中的充電線網(wǎng)進(jìn)行保護(hù),防止充電線網(wǎng)因過載而損壞;對(duì)于金屬性大電流短路,充電站內(nèi)的直流快速斷路器和直流保護(hù)能夠快速動(dòng)作,在十幾個(gè)毫秒內(nèi)即可切斷故障電流,保證設(shè)備安全;智能化故障檢測(cè)功能還能夠辨別出供電系統(tǒng)中是否存在短路,如果為瞬時(shí)性短路,則可自動(dòng)合閘快速恢復(fù)供電,無需人工干預(yù);直流充電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)能夠?qū)Τ潆娬尽⒌叵码娎|、充電線網(wǎng)和車輛的對(duì)地阻抗變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)阻抗變化評(píng)估充電系統(tǒng)和大地之間的絕緣健康狀態(tài);站內(nèi)的溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)充電站內(nèi)關(guān)鍵連接點(diǎn)的連接可靠性,避免大電流通過后導(dǎo)致溫升或起火。
3. 遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)控和維護(hù)管理
“微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站”采用高度集成化設(shè)計(jì),在新一代電氣技術(shù)基礎(chǔ)上融合了數(shù)字傳感技術(shù)、數(shù)字保護(hù)測(cè)控技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。主要由高壓交流開關(guān)柜設(shè)備、整流機(jī)組設(shè)備、直流開關(guān)柜設(shè)備、輔助電源設(shè)備、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、自動(dòng)消防系統(tǒng)、綜合輔助系統(tǒng)(門禁、環(huán)境和視頻)等多個(gè)模塊組成。
新型充電站通過遠(yuǎn)程云平臺(tái)可完成站內(nèi)數(shù)據(jù)獲取,命令下發(fā)等操作。管理人員通過遠(yuǎn)程云管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)充電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控,能夠快速了解站內(nèi)各種故障和報(bào)警,并對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行隔離。即能夠保障了充電站運(yùn)行的可靠性,又能夠達(dá)到快速恢復(fù)供電的目的,真正實(shí)現(xiàn)“智能化無人值守”。
由于采用無人值守的運(yùn)行模式,充電站內(nèi)部設(shè)備的健康狀態(tài)可通過遠(yuǎn)程云平臺(tái)獲取。遠(yuǎn)程維護(hù)管理終端通過云平臺(tái)可實(shí)時(shí)了解站內(nèi)設(shè)備的健康狀態(tài)。通過對(duì)各類故障、報(bào)警、狀態(tài)等運(yùn)行信息的分析,可及時(shí)判別出設(shè)備的工況,實(shí)現(xiàn)“設(shè)備預(yù)測(cè)式檢修維護(hù)”。不僅減少運(yùn)維人員數(shù)量,并可大幅度降低設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本。
三、 微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站典型方案
由蘇州萬龍電氣集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)的WDQXB系列智能型箱式變電站就是適用于新型純電動(dòng)公交的新一代充電站,其主要參數(shù)如下(以3路直流充電回路為例):
1. 典型參數(shù)
■ 額定輸出功率600kW,最大輸出功率1200kW
■ 3路直流充電回路
■ 輸入電壓AC 12kV
■ 輸出電壓DC 750V
■ 額定輸出DC 800A
■ 外形尺寸L*W*H(mm)=8000*4000*3500
2. 典型系統(tǒng)一次方案
根據(jù)WDQXB系列智能型箱式變電站系統(tǒng)一次方案(單臺(tái),如圖1所示)可知,其高壓交流開關(guān)柜設(shè)備采用10kV雙路電源進(jìn)行的HXGN15-12系列SF6環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜;整流機(jī)組采用額定容量為630kVA、負(fù)載等級(jí)為Ⅴ級(jí)的12脈整流機(jī)組設(shè)備; 直流開關(guān)柜設(shè)備采用WDQ系列直流開關(guān)柜(DC750V),直流系統(tǒng)通過備用饋線回路、備用母線和旁路刀,確保實(shí)現(xiàn)故障回路供電緊急恢復(fù);站用輔助電源設(shè)備配置30kVA變壓器及32Ah直流電源屏。
WDQ系列直流開關(guān)柜采用互換式斷路器手車結(jié)構(gòu),快速斷路器采用具高性能、高可靠性的QDS8系列直流快速斷路器(Icu=Ics=30kA、飛弧距離小、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單),繼電保護(hù)裝置采用ST700系列直流微機(jī)綜合保護(hù)裝置,該方案彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直流快速斷路器直接大電流脫扣保護(hù)的不足,增加了過電流速斷、過電流延時(shí)、熱過載、線路測(cè)試、自動(dòng)重合閘、故障錄波等等保護(hù)控制能,完善了直流供電系統(tǒng)保護(hù)控制功能。此外,系統(tǒng)還配置了絕緣檢測(cè),溫度監(jiān)測(cè)等功能,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并評(píng)估直流供電系統(tǒng)的絕緣狀況以及站內(nèi)關(guān)鍵連接點(diǎn)的連接可靠性。
圖1 WDQXB系列智能型箱式變電站一次系統(tǒng)圖
3. 典型遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)
為了滿足充電站和遠(yuǎn)程云平臺(tái)以及管理服務(wù)終端之間的數(shù)據(jù)交互,WDQXB系列智能型箱式變電站內(nèi)配備了WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)。
系統(tǒng)由站控層、通信管理層和間隔層組成。站控層與通信管理層之間采用TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)通信,根據(jù)電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)防護(hù)安全I(xiàn)區(qū)的要求,須對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密,確保數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全性。通信管理層與間隔之間采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)以各個(gè)智能型箱式變電站中的“WKS-DAS1000數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”為核心,通過現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù),以 “直流微機(jī)綜合保護(hù)裝置”、“智能測(cè)控儀表”、“溫度監(jiān)測(cè)裝置”、“絕緣監(jiān)測(cè)裝置”、“智能I/O模塊”等智能終端設(shè)備為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)整個(gè)箱式變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖2所示。
圖2 WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D
4. 典型充電系統(tǒng)拓?fù)?/strong>
從目前普通的純電動(dòng)公交充電過程來看,充電設(shè)施只是一個(gè)簡(jiǎn)單的供電設(shè)備,充電過程主要依賴車載電池管理系統(tǒng)完成, 并需要進(jìn)行人工操作。由于充電機(jī)安裝于充電樁內(nèi),不同類型的純電動(dòng)公交車進(jìn)行充電時(shí)還存在一定的兼容性問題。
新型純電動(dòng)公交的充電系統(tǒng)將充電站,車輛,遠(yuǎn)程云平臺(tái)以及各類管理服務(wù)終端這些要素協(xié)同考慮,共同完成充電過程。
如圖3所示的新型純電動(dòng)公交充電系統(tǒng)拓?fù)鋱D,其中,純電動(dòng)公交遠(yuǎn)程云管理平臺(tái)通過通信鏈路可實(shí)時(shí)獲取車輛電池狀態(tài),車輛位置,剩余電量,充電電流等信息。充電站遠(yuǎn)程云管理平臺(tái)通過通信鏈路可以獲取充電站電量信息,充電回路電流,各種報(bào)警和故障信息。車輛信息管理終端和充電一體化管理終端則可以綜合車輛的信息和充電站及充電線網(wǎng)的電量信息,指引車輛到合適的充電線網(wǎng)下進(jìn)行充電。充電管理終端還可以通過車載充電機(jī)控制充電電流,滿足不同車輛的充電需求(快充,慢充等)。整個(gè)充電過程中,各類云平臺(tái)和管理終端通過融合車輛和充電站的相關(guān)信息,合理調(diào)配充電資源,柔性充電。
充電站遠(yuǎn)程維護(hù)預(yù)警終端則能夠從充電站遠(yuǎn)程云管理平臺(tái)獲取站內(nèi)的各類數(shù)據(jù),對(duì)充電站的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,對(duì)于設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)的異;驁(bào)警,能夠做到“及時(shí)發(fā)現(xiàn),及時(shí)解決”。
圖3 新型純電動(dòng)公交充電系統(tǒng)拓?fù)鋱D
四、 工程案例
從2012年起,北京市電車公司根據(jù)相關(guān)的運(yùn)行規(guī)劃要求,選用了由蘇州萬龍電氣集團(tuán)股份有限公司提供的“智能化直流牽引電氣系統(tǒng)一體化解決方案”,分批對(duì)阜成門站、紫竹院站、馬連道站等10余個(gè)場(chǎng)站式雙源純電動(dòng)公交直流牽引站的設(shè)備進(jìn)行智能化升級(jí)改造,同時(shí)新建了30余個(gè)智能型箱式直流牽引變電站,為北京市1000余輛雙源純電動(dòng)公交提供運(yùn)行和充電所需電力。所有直流牽引站均通過遠(yuǎn)程云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控管理,最終實(shí)現(xiàn)牽引站的無人值守。
其中,龍?zhí)豆珗@公交停車場(chǎng)采用WDQXB系列智能型箱式變電站為停車場(chǎng)內(nèi)線網(wǎng)供電,為場(chǎng)內(nèi)的30輛左右純電動(dòng)公交提供充電服務(wù)。純電動(dòng)公交車通過集電桿可在線網(wǎng)下進(jìn)行充電,車輛在充電完成后通過車載電池提供的動(dòng)力運(yùn)行。如圖4所示。
圖5是北京市電車公司供電所遠(yuǎn)程云平臺(tái)管理中心站,該中心站運(yùn)行了由蘇州萬龍電氣集團(tuán)股份有限公司提供的“WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)”。從接入容量上看,該管理系統(tǒng)能夠接入200余個(gè)變電站。目前該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了40多個(gè)智能型直流牽引變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。